一文带你了解C#中的协变与逆变

2023-02-26 08:02:47 逆变带你一文

协变

协变概念令人费解，多半是取名或者翻译的锅，其实是很容易理解的。

比如大街上有一只狗，我说大家快看，这有一只动物！这个非常自然，虽然动物并不严格等于狗，但不会有人觉得我说的不对，把狗变成动物就是协变，C#也支持这个：

// C#6顶级语句
Dog dog= new Dog();
Animal animal= dog;

interface Animal
{}

class Dog : Animal
{}

那么接下来，大街上有一群狗，我说有一群动物，按理说也是对的，但看样子C#不这么认为

List<Dog> dogLst = new List<Dog>();
List<Animal> aniLst = dogLst;       //飙红飙红飙红了
interface Animal {}
class Dog : Animal {}

原因其实很容易理解，毕竟在上述的代码中，写了Dog:Animal，即声明了狗是动物的子类，但是并没有写List<Animal> : List<Dog>，换言之，从来没有声明过一群狗是一群动物的子类。

但是，如果不用List，而用其父类IEnumerable，写成下面这样，就又不报错了。

List<Dog> dogLst = new List<Dog>();
IEnumerable<Animal> aniLst = dogLst;

换言之，C#承认List<Dog>是IEnumerable<Animal>的子类，个中差别，只需一览源码，就会知晓：

public interface IEnumerable<out T> : IEnumerable
public class List<T> : ..., IEnumerable<T>, ...

IEnumerable无非比List多了一个out参数，有了这个参数，就拥有了协变的功能，从而当U是T的子类时，可以支持IEnumerable到IEnumerable<T>的转换。

在官方文档中，指明了具有out关键字的泛型接口包括IEnumerable<T>, IEnumerator<T>, IQueryable<T>和IGrouping<TKEy,TElement>。

协变接口的实现

协变和逆变目前只能在泛型接口和委托中使用，下面新建一个泛型接口，并使用关键字out。由于使用.net6.0的顶级语句，所以接口和类的声明放在后面。

iout<string> outStr = new Out();
IOut<object> outObj = outStr;
Console.WriteLine(outObj.getName());

interface IOut<out T>
{
    T getName();
}

class Out : IOut<string>
{
    public string getName()
    {
        return GetType().Name;
    }
}

编译运行，最后输出Out，即outObj尽管在声明的时候用的是IOut<object>，但在IOut的out修饰符的作用下，成功让IOut<object>变成了IOut<string>的父类，得以顺利调用Out中的方法。

那么接下来，如果想让getName更加完备一些，例如要求实现getName(T name)这样的功能，那么经out修饰的协变接口就无能为力了，像下面这样的写法果然被无情地飙红了

interface IOut<out T>
{
    void getName(T name);
}

逆变

VS作为宇宙顶级IDE，协变逆变十分拎得清，上述代码在飙红的同时，直接给出如下错误

变型无效: 类型参数“T”必须是在“IOut.getName(T)”上有效的逆变式。“T”为协变。

换言之，如果想让泛型接口可以输入泛型参数，那么需要用到逆变，具体写法如下，其中修饰符in表示逆变

IIn<object> inObj = new In();
IIn<string> inStr = inObj;
inStr.getName("in");

interface IIn<in T>
{
    void getName(T name);
}

class In : IIn<object>
{
    public void getName(object name)
    {
        Console.WriteLine(name);
    }
}

逆变和协变最大的不同，并非in和out这两个修饰符的字数，而是整个替换逻辑发生了变化，上述代码中，实际上是作为子类的string调用了通过父类object作为参数定义的函数。

里氏替换原则

在具体实现了协变与逆变之后，总觉得那里怪怪的，最怪的其实还是下面这行代码的错误

//错错错错错错错错错错错错错错错错错错错错错错错错错错
interface IOut<out T>
{
    void getName(T name);
}

而且可以想象，与之相对应的下面的逆变代码也是不对的

//错错错错错错错错错错错错错错错错错错错错错错错错错错
interface IOut<in T>
{
    T getName();
}

接下来复盘一下产生这种现象的原因，为了破除命名带来的困扰，接下来考虑泛型接口I<T>，其中有一个函数T test(T t)。现有两个特定的继承自泛型接口I<A>和I的类，假设I<A>要调用I中的方法，那么其流程如下

1.A I<A>.test(A t)，即输入一个A类型的参数

2.将这个A类型的参数t，传入到B I.test(B t)。由于I要求输入B类型的参数，所以要求A可以转换为B类型。

3.B I.test(B t)计算完毕，返回一个B类型的参数

4.这个B类型的参数又被返回给最初的调用者A I<A>.test，而这时I<A>的函数最终将返回一个A类型的参数，换言之，在这个步骤，要求B可以转换为A。

A能转为B，然后还得B能转为A，同时A和B还不相等，这显然是不可能的。

所以逆变和协变分别实现了第2步和第4步。

如果I<A>想要调用Itest(B t)中的函数，那么A类型必须可以转成B类型。正如string可以转为object一样，此即逆变，用in修饰，其作用场合为子类调用父类中的方法。

如果I<A>想要调用B Itest()，那么作为返回值的B类型必须可以转化为A类型，此即协变，用out修饰，正是父类调用子类的方法。

协变和逆变的统一之处在于，二者都严格遵循这子类可以转变为父类的规则，此即里氏替换。这是1987年，芭芭拉·利斯科夫提出的，她也是2008年图灵奖得主。

在协变逆变的过程中，对里氏替换的遵循主要表现在当子类方法重载父类方法时

方法的输入参数要更加宽松，此即逆变(IOut<object>调用IOut<string>，object比string更宽松)
方法的返回值要更加严格，此即协变(IOut<string>调用IOut<object>，string比object更严格)

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